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基于单片微机控制的机械手设计（机械结构）
摘 要
在工业生产中，机械手系统有着广泛的应用，如工件转移、工件装配、加工中心刀库换刀等，作为一种相对较新的机电一体化设备，它正开始改变现代化工业面貌。本设计为三自由度圆柱坐标型工业机械手，其工作方向为两个直线方向和一个旋转方向。本机械手使用气动夹紧装置，两直线方向的运动由两对丝杠螺母机构完成，通过步进电机驱动，一个旋转方向的运动也由步进电机驱动,因为使用单片机可以较容易地控制步进电机。在控制器的作用下，机械手执行将工件从一个位置拿到另一个位置这一动作。本机械手系统具有较大的柔性：控制方面，因机械手可以较容易地与PC机通信；上位机程序通过VB语言编写，可以通过改写上位机程序，比如增加可以调用的子程序、数据库等，使机械手实现更加强大地功能；机械结构方面，本机械手的末端执行机构可以更换，可以通过更换末端执行机构使机械手完成不同的任务。
本文的主要内容包括：机械手总体结构方案的选型、机械手的动力学参数计算、机械手的运动学设计、运动部件的设计与校核、结构设计等。本文是对整个设计工作较全面的介绍和总结。
关键词：机械手 自由度 结构

目 录
摘 要…………………………………………………………………………………………Ⅰ
目 录…………………………………………………………………………………………Ⅱ
第一章 前言 1
第二章 机械手总体结构的确定 4
2.1机械手自由度的确定 4
2.2工作空间和额定负载的确定 4
2.3确定分辨率、重复性 4
2.4机械手结构形式的确定 5
第三章 动力学参数计算 7
3.1末端夹持系统的设计 7
3.1.1手爪夹持装置的机构选型 7
3.1.2夹持气缸的选用 8
3.2水平运动机构动力学参数计算 10
3.2.1螺纹传动的强度设计与校核 10
3.2.2水平运动步进电机的选择 12
3.3竖直运动机构力学参数计算 13
3.3.1螺纹传动的强度设计与校核 13
3.3.2竖直运动步进电机的选型 14
3.4转盘运动机构动力学参数计算 15
第四章 运动学设计 18
4.1手爪部件及水平运动部件的设计 18
4.1.1手爪部件的设计与校核 18
4.1.2水平运动部件的设计与校核 19
4.2竖直运动部件的设计 23
第五章 传动部件的设计 25
5.1传动轴的设计与校核 25
5.1.1传动轴的结构设计 25
5.1.2传动轴的强度校核 25
5.2轴承的选用与校核 27
5.2.1 水平丝杆外端轴承的选用与校核 27
5.2.2竖直运动处丝杆与转盘连接处轴承的选用与校核 29
5.3键连接的选用与校核 31
5.3.1传动轴与转盘连接处键连接的选用与校核 31
5.3.2竖直运动处丝杆与齿轮处键连接的选用与校核 31
5.4传动齿轮的设计与校核 33
5.4.1水平运动传动齿轮副的设计与校核 33
第六章 机械手部件的结构设计 37
6.1水平运动部件结构设计 37
6.2运动箱体结构设计 38
第七章 总结 41
致 谢…………………………………………………………………………………………44
参考文献 ………………………………………………………………………………………45

第一章 前言
基于单片机控制的机械手，就其本质上来说，属于工业机器人的范畴，机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面。工业机器人的研究、制造和应用水平，是一个国家科技水平和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。
目前，工业机器人的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国机器人协会给工业机器人下的定义：工业机器人是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对工业机器人作如下定义：
工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。工业机器人的发展，由简单到复杂，由初级到高级逐步完善，它的发展过程可分为三代：
第一代工业机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型工业机器人，它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。
第二代机器人是带感觉的机器人。它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。其控制方式较第一代工业机器人要复杂得多，这种机器人从1980年开始进入了实用阶段，不久即将普及应用。
第三代工业机器人即智能机器人。这种机器人除了具有触觉、视觉等功能外，还能够根据人给出的指令认识自身和周围的环境，识别对象的有无及其状态，再根据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务。并且能跟踪工作对象的变化，具有适应工作环境的功能。这种机器人还处于研制阶段，尚未大量投入工业应用。
国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：
1．工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。
2．机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。
3．工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜越来越小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
4．机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。
5．虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。
6．当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的索杰纳机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。
7．机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出虚拟轴机床以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。
我国的工业机器人从80年代七五科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过七五、八五科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，一个客户，一次重新设计，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。
本毕业设计是基于单片机控制的机械手的机械结构设计，机械手各活动部件采用伺服电机驱动，单片机发送的控制信号经过功率放大，转换后，控制伺服电机转动与停止，各个电机的协调转动，完成机械手的升降，左右旋转，伸缩等功能，可实现手动和自动程序控制两种功能。可见，单片机控制的机械手并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备，除替代人工操作外，还有以下优点：
· 提高生产率
· 提高产品质量
· 增加生产的连贯性
· 方便生产加工的控制
· 提高生产的可靠性
· 提高生产的安全性
· 减少废料及重复性工作
机械手的机械部分包括底座，可旋转的基座、一级手臂、二级手臂、手爪等部分。设计的基本内容包括：机械手总体运动方案的选型，基座旋转机构的设计，一级手臂运动机构的设计，二级手臂伸缩机构的设计及手爪抓取与放松机构的设计与选型。
设计难度较大的部分，一是手爪动作的实现，伺服电机输出轴的旋转要转换成手爪的合拢与放开，但每次夹持的工件尺寸不同，电机旋转的角度要自动调节，防止过载。可以在手爪上设置受力传感器，反馈给控制器，实现这一功能。二是设计要求能夹持重量100克的物体，而机械手的两级手臂为悬臂机构，夹持物体以后系统刚度较差，可以通过改变第二级手臂的结构解决这一问题。
本机械手系统具有较大的柔性：控制方面，因机械手可以较容易地与PC机通信；上位机程序通过VB语言编写，可以通过改写上位机程序，比如增加可以调用的子程序、数据库等，使机械手实现更加强大地功能；机械结构方面，本机械手的末端执行机构可以更换，可以通过更换末端执行机构使机械手完成不同的任务，比如将手爪更换成焊枪，即可以将其变成一台自动化程度很高的焊接机器人。
基于单片微型计算机的机械手系统还可以用于工业生产线，完成工件转移、零件装配、检测以及危险环境中替代人完成简单精确的劳动等很多工作，提高装备的自动化水平；系统还可以较容易地实现与PC机的通信，实现计算机集中控制生产设备；另外，该系统价格便宜，组成灵活，具有较高的推广应用价值。

第二章 机械手总体结构的确定
2.1机械手自由度的确定
自由度是指描述物体运动所需的独立坐标数，三维空间需要6个自由度。所谓机械手的运动自由度是指确定一个机械手操作位置时所需的独立运动参数，它表示机械手动作的灵活程度。
一般固定程序的机械手，动作比较简单，自由度数较少。工业机器人自由度数较多，动作灵活性和通用性较大。一般说来，机器人靠近机座的3个自由度是用来实现手臂末端的空间位置的，再用几个自由度来定出末端执行器的方位；7个以上的自由度是冗余自由度，是用来躲避障碍物的。
自由度的选择也与生产要求有关，若批量大，操作可靠性要求高，运行速度快，周围设备构成比较复杂，工件质量轻时，机械手的自由度数可少；如果要便于产品更换，增加柔性，则机械手的自由度要多一些。
计算机械手的自由度时，末端执行器的夹持器动作是不计入的，因为这个动作不改变工件的位置和姿态。在满足机械手工作要求前提下，为简化机械手的结构和控制，应使自由度数最少。
本设计的机械手力求结构简单，成本低廉，因此，自由度选择为3个自由度。
2.2工作空间和额定负载的确定
工作空间是指机械手正常工作时，手腕参考点在空间活动的最大范围，根据机械手工作范围和运动轨迹确定。工作空间大小不仅与机器人各杆件尺寸有关，而且也与它的总体构形有关。在工作空间内要考虑杆件自身的干涉，防止与作业环境发生碰撞。此外在工作空间内某些位置，机械手不可能达到预定的速度，甚至不能在某些方向上运动，即所谓工作空间的奇异性。
本机械手的工作空间要求不十分严格，初步选定为： 300mm×300mm×300mm的自由空间。
承载能力说明机械手搬运重物的能力，负载大小主要考虑机械手各运动轴上的受力和力矩，末端执行器的重量，抓取工件的重量，以及由运动速度变化而产生的惯性力和惯性力矩。考虑末端执行器的重量及各运动轴上的受力和力矩，以及考虑足够的安全系数，初步确定设计负载为500g。
机械手的工作空间为300mm×300mm×300mm的自由空间，设定末端执行部件在X,Y,Z三个方向上的运动时间都为15s,可知执行部件的运动速度为：
0.3/15=0.02m/s
2.3确定分辨率、重复性
分辨率是指机械手各运动轴能实现的最小移动距离或最小转动角。在相同条件下用同—方法操作，重复多次所获结果的不一致性称为重复性。
考虑机械传动误差等影响因素，初步确定机械手的分辨率为0.1mm，0.1mm的分辨率对于一般工件的搬运、装配都足够。参照表2－1初步确定机械手的重复性为0.4mm。
表2-1常见机械设备的重复性
任务
机床上下料
点焊
模锻
喷涂
装配
重复性(mm)
±(0.05～1)
±1
±0.12
±3
±(0.01～0.5)

2.4机械手结构形式的确定
本毕业设计是应用于生产线上的上下料机械手，要求有较高的定位精度和较高的耐用度。就现在工业产品市场情况来看，机械手的结构形式方案一般有一下几种：
表2-2 机械手结构选型表
结构形式方案
特点
优缺点
结构简图

1直角坐标型

操作机的手臂具有三个移动关节，其关节轴线按直角坐标配置

结构刚度较好，控制系统的设计最为简单，但其占空间较大，且运动轨迹单一，使用过程中效率较低

2圆柱坐标型

操作机的手臂至少有一个移动关节和一个回转关节，其关节轴线按圆柱坐标系配置

结构刚度较好，运动所需功率较小，控制难度较小，但运动轨迹简单，使用过程中效率不高

3球坐标型

操作机的手臂具有两个回转关节和一个移动关节，其轴线按极坐标系配置

结构紧凑，但其控制系统的设计有一定难度，且机械手臂的刚度不足，机械结构较为复杂

4关节型

操作机的手臂类似人的上肢关节动作，具有三个回转关节

运动轨迹复杂，结构最为紧凑，但控制系统的设计难度大，机械手臂的刚度差

初步确定选用圆柱坐标型机械手。
机械手的结构简图如下图所示：

1运动箱体，2竖直运动导向杆，3 上部限位盖，4竖直运动丝杠，5水平限位块，6夹持手爪，7水平运动丝杠，8水平运动导向杆，9转盘，10底座，M1转盘步进电机，M2竖直丝杠步进电机，M3水平丝杠步进电机。
图2-1 机械手结构简图
选用圆柱坐标型运动机构的原因：因本次设计的机械手是机电一体化产品，因此在进行机械结构设计时必须兼顾控制部分的要求。直角坐标型机械手的控制系统的设计最为简单，但其占空间较大，且运动轨迹单一，使用过程中效率较低；球坐标型机械手结构紧凑，但其控制系统的设计有一定难度，且机械手臂的刚度不足；关节型机械手的运动轨迹复杂，结构最为紧凑，但控制系统的设计难度最大，机械手臂的刚度很差。综合看来，圆柱坐标型机械手结构刚度较好，控制难度较小，用于本次毕业设计的选型比较合适。
如图中所示，转盘9由步进电机M1通过齿轮带动，通过转盘的旋转，使机械手爪可以在360°角度范围内转动；竖直运动丝杠4由步进电机M2通过齿轮带动旋转，螺母安装在箱体1上，这样箱体1就可以在一定范围内竖直运动，由四根光杆2起到支撑和导向的作用；水平运动丝杠7由步进电机M3通过齿轮带动旋转，末端执行部件上安装有螺母，手爪6就可以做水平运动，另外由两根导向杆8起到支撑和导向的作用。这样的结构就构成了三自由度圆柱坐标型机械手。
第三章 动力学参数计算
3.1末端夹持系统的设计
3.1.1手爪夹持装置的机构选型
手爪夹持装置是一种用来抓取和握持工件的末端执行装置，机械手用它来夹持、移动或放置工件。夹持器可分为手爪式夹持器和非手爪式夹持器。前者是用手指夹持工件，后者是无指夹持工件，其夹持方式有：真空吸附式、磁力吸附式、静电悬浮式、铲挖式、钩吊式、刺穿式和粘着式等。
夹持装置的机构类型主要有以下几种：
表3-1 手爪夹持机构选型表
夹持机构类型
主要特点
结构简图

1.连杆式手爪机构

由简单杆件构成，可把活塞的直线运动变成手指的夹持动作。夹持器工作时，卡爪作平行开合，而指端运动轨迹为一圆弧。

2.凸轮式手爪机构

当活塞左右运动时．通过凸轮和连杆的组合，实现卡爪的圆弧开合，但平行运动中摩擦阻力较大。

3.齿轮－齿条式手爪机构

当活塞杆左右运动时，活塞杆末端的齿条带动齿轮旋转，通过齿轮旋转，实现手指齿条的平行运动,从而实现手指的开合运动。

4.螺旋式手爪机构

机构通过马达驱动单头或双头螺杆，将电机的旋转运动转变成手爪的开合运动。

5.绳轮式手爪机构

该机构通过牵引绳索实现手爪的开合。若将绳轮作成非圆轮或采用链传动．则机构作非均匀牵引运动。

手爪在夹持工件时，由于不同工件的尺寸不同，因此每次夹持时，主动运动机构的运动行程也应该不同，否则会出现夹持不到位或夹持电机烧毁等现象，为避免这种现象，夹持机构需有过载保护功能。
表中4螺旋式手爪机构和5绳轮式手爪机构都是将电机的旋转运动转变成手爪的开合运动，显然这样的机构本身没有过载保护，要实现过载保护功能，必须在手爪上安装受力传感器，把受力状况转变成数字信号传递给控制系统，实时调整电机转动状态。这两种机构需要安装传感器，从而使控制系统的设计变得复杂，而且由于安装电机，使夹持部分结构重量增大，使本身就是悬臂的末节运动机构刚度变差。显然这两种机构不可取。
表中1连杆式手爪机构、2凸轮式手爪机构、3齿轮－齿条式手爪机构都是将主动运动机构的往复运动转变成手爪的开合运动，我们可以选择气缸作为主动部件，这样机构本身就具有了过载保护功能。再比较这几种机构，我们发现齿轮－齿条式手爪机构结构复杂，制造成本高，重量大，而且运动阻力较大，不适合使用推力较小的气缸驱动；凸轮式手爪机构虽然结构重量有所减小，但凸轮在使用中磨损较大，也不理想。连杆式手爪机构具有阻力小、重量轻、结构简单、成本低廉等优点，所以最终选用连杆式手爪机构作为夹持装置。
3.1.2夹持气缸的选用
手爪连杆受力分析如图3－1所示：
机械手要能夹持100g的物体，而夹持力主要来自工件与手爪夹持部分的摩擦力，为增大摩擦，选用摩擦系数较大的橡胶作为手爪与工件接触部分的材料。假设工件材料为钢，查手册可知橡胶与钢的摩擦系数为μ＝0.17。
工件质量为G=m×g
=0.1kg×10N/kg
=1N
根据下图可知： 图3-1 夹持杆件受力分图
假定在∠A=30°时手爪开始夹持工件，则
可见，随着∠A的增大，变小，因此可以得出被夹持工件的最大尺寸为∠A=30°时，两爪间的距离L。
L=2×30×cos30°
≈52mm
可知机械手能夹持的最大工件尺寸为52mm。
根据杠杆原理，可知
=18N

考虑摩擦造成的阻力及安全系数，取
选用型号为QCJ2B10－50型双作用微型气缸。
气缸的各项参数如表3－2所示：
表3-2 QCJ2B10－50型微型气缸参数表
缸径/mm
活塞行程/mm
工作介质
动作型式
工作压力
使用速度
接管口径
10
50
洁净压缩空气
双动
0.8MPa
300mm/s
M5×0.8
气缸安装尺寸如图3－2所示：
图3-2 QCJ2系列双作用微型气缸安装尺寸图
校核气缸所能提供的拉力大小。
使用压力为0.8MPa，气缸内径为10mm，活塞杆直径为4mm,可知气缸所能提供的拉力为:
=
52.75N>30N,所以可以认为气缸的选用是合适的。
3.2水平运动机构动力学参数计算
3.2.1螺纹传动的强度设计与校核
执行部件的水平运动由丝杠螺母运动副来实现，根据设计手册中螺纹传动的有关说明，选用梯形螺纹，初步确定丝杠大径为12mm。初定螺母高度为H=15mm，梯形螺纹牙型及基本尺寸见下面图表。

图3-3 梯形螺纹牙型(GB/T5796.1-1986)
表3-3 水平运动梯形螺纹基本尺寸
(GB/T5796.3-1986)
公称直径
螺距(粗牙)
中径
大径
小径
d
P

12
3
10.5
12.5
8.5
9.0

图3-4螺纹连接受力分析图
前面的设计已假设执行部件的总重量为500g，现在根据丝杠的承载条件进行校核：
现就一圈螺纹连接进行分析。
螺母高度为H=15mm，则螺纹工作圈数为,则每圈螺纹的承载重量为500g/5=100g。每圈螺纹受重力为:
G=m×g=0.1kg×10N/kg=1N
查表5-13得滑动螺旋副材料为钢螺杆－青铜螺母，许用压力[p]=7.5MPa, 中径系数
①.耐磨性校核
∠B=arctan(3/10.5)=15.95°

实际压力为：
查表5-13得许用压力[P]=7.5MPa
P=0.0006MPa<[P]=7.5MPa
可知耐磨性条件满足使用要求。
②.校核螺旋副是否满足自锁条件
许用螺纹升角为=arctan=arctan0.35=19.65°
实际螺纹升角为
可知螺旋副满足自锁条件。
③.螺母螺纹牙的强度校核
螺纹牙危险截面的剪切强度条件为：
设计的螺纹牙危险截面的剪切应力为：

查得许用剪切应力为120MPa，0.0137MPa<120MPa,因此，螺纹牙危险截面满足剪切强度条件。
螺纹牙危险截面的弯曲强度条件为：
设计的螺纹牙危险截面的弯曲应力为：
=0.078MPa
查得许用弯曲应力为150MPa，0.078MPa<250MPa,因此，螺纹牙危险截面满足弯曲强度条件。
3.2.2水平运动步进电机的选择
由图3.4可知，
要驱动丝杠，电机转矩的最小值近似为：

出于安全考虑，所选步进电机转矩的最小值应大于30 N·mm
根据机械手上电机安装空间及转矩、步距角要求，选用混合式步进电机，初步确定型号为42BYG017，电机参数如下表所示：
表3-4 42BYG017步进电机性能参数
电压
电流
电阻
最大静力矩
定位力矩
转动惯量
重量
V
A

N·mm
N·mm
g·
kg
6.3
0.42
15
140
15
20
0.2
其他参数：
步距角为1.8°
环境温度为－25～＋40℃
温升85K
此电机与水平运动丝杠通过减速比为2的齿轮连接，由此可知水平运动精度为：
,
0.0075mm<0.1mm, 水平运动精度符合要求，因此可以认为水平运动步进电机的选择是合理的。
因丝杠螺母机构具有自锁功能，因此，只要步进电机的静力矩大于30N·mm，就能满足使用要求。
电机要达到的最大转速为
电机安装尺寸如下页图3－5所示：

图3-5 42BYG017步进电机安装尺寸图
3.3竖直运动机构力学参数计算
3.3.1螺纹传动的强度设计与校核
运动箱体的竖直运动由丝杠螺母运动副来实现，根据设计手册中螺纹传动的有关说明，选用梯形螺纹，初步确定丝杠大径为20mm。初定螺母工作高度为H=25mm，梯形螺纹基本尺寸见下表。
表3-5 竖直运动梯形螺纹基本尺寸(GB/T5796.3-1986)
公称直径
螺距(粗牙)
中径
大径
小径
d
P

20
4
18
20.5
15.5
16
前面的设计已假设执行部件的总重量为500g，竖直丝杠要承载的重量包括水平丝杠、水平导向杆、箱体和水平限位块，其总重量初步定为2000g，现在根据丝杠的承载条件进行校核：
现就一圈螺纹连接进行分析
螺母的工作高度为H=25mm，则螺纹工作圈数为,则每圈螺纹的承载重量为2000g/5.5=363.7g。每圈螺纹受重力为
G=m×g =0.3637kg×10N/kg≈3.7N
查表得滑动螺旋副材料为钢螺杆－青铜螺母，许用压力[p]=7.5MPa, 中径系数
①.耐磨性校核
丝杠轴向力:
实际压力为：
查表得许用压力[P]=7.5MPa
P=0.0026MPa<[P]=7.5Mpa，可知耐磨性条件满足使用要求。
②.校核螺旋副是否满足自锁条件
许用螺纹升角为=arctan=arctan0.35=19.65°
实际螺纹升角为，可知螺旋副满足自锁条件。
③.螺母螺纹牙的强度校核
螺纹牙危险截面的剪切强度条件为：
设计的螺纹牙危险截面的剪切应力为：

查得许用剪切应力为120MPa，0.024MPa<120MPa,因此，螺纹牙危险截面满足剪切强度条件。
螺纹牙危险截面的弯曲强度条件为：

设计的螺纹牙危险截面的弯曲应力为：
=0.163MPa
查得许用弯曲应力为150MPa，0.163MPa<150MPa,因此，螺纹牙危险截面满足弯曲强度条件。
3.3.2竖直运动步进电机的选型
竖直螺纹连接受力分析如右图所示： 图3-6 竖直螺纹连接受力分析图
已知，则由图可知：

竖直运动丝杠与步进电机通过减速比为2的齿轮副连接，电机转矩的最小值近似为：
，根据机械手上电机安装空间及转矩、步距角要求，初步选用混合式步进电机，型号42BYG504，电机参数如下表所示：
表3-6 42BYG504步进电机性能参数
电压
电流
电阻
最大静力矩
定位力矩
转动惯量
重量
V
A

N·mm
N·mm
g·
kg
12
1.2
10
1100
150
80
0.8
其他参数：
步距角为1.8°
环境温度为－25～＋40℃
温升85K
此电机与竖直运动丝杠通过减速比为2的齿轮副连接，由此可知竖直运动精度为：
,
竖直运动精度为0.01mm<0.1mm,符合运动精度要求，因此可以认为竖直运动步进电机的选择是合理的。
因丝杠螺母机构具有自锁功能，因此，只要步进电机的静力矩大于850N·mm，就能满足使用要求。
由此可知，步进电机42BYG504可以满足使用要求。电机安装尺寸同42BYG017，但尺寸L比电机42BYG017的要大的多。
电机要达到的最大转速为,则丝杠的最大转速为150r/min。
3.4转盘运动机构动力学参数计算
根据上面所做的设计，可以推知转盘以及转盘以上的部件总重量：

其中＝2000g为箱体及水平运动部件的重量，＝800g为竖直运动步进电机的重量，为其他部件重量，比如上盖板、竖直运动丝杠、导向杆、转盘等部件重量之和。
≈5000g
前面的设计已确定转盘的转速为0.02m/s=20mm/s,由此可知转盘运动部件的转动惯量：
参见设计装配图，我们可以看到，虽然水平运动是悬臂结构，但M1电机距离支撑杆距离很近，结构刚度较好，因此转盘运动部件可以近似地认为是直杆，L=350mm。
转动惯量为：
转盘的转轴与步进电机通过减速比为2的齿轮副连接，步进电机转动惯量的最小值近似为：

考虑安全系数以及传动中的能量损失，根据机械手上电机安装空间及转矩、步距角要求，初步选用混合式步进电机，型号57BYGH803，电机参数如下表示：表3-7 57BYGH803步进电机性能参数
电压
电流
电阻
最大静力矩
转动惯量
重量
V
A

N·mm
g·
kg
12
1.5
4.2
1400
440
1.1
其他参数：
步距角为1.8°
环境温度为－25～＋40℃
转盘运动精度为0.9°,则末端执行部件的精度为<0.1mm符合精度要求，因此可以认为转盘运动步进电机的选择是合理的。步进电机安装尺寸如图3－7所示：

图3-7 57BYGH803步进电机安装尺寸图

第四章 运动学设计
4.1手爪部件及水平运动部件的设计
4.1.1手爪部件的设计与校核
如图4－1所示，连接铰链1与气缸的活塞杆连接，铰链2是自由的，转轴3的轴心固定在水平运动部件上。手爪与工件接触的部分有防滑橡胶4，增大摩擦阻力。
夹持部件采用铝合金材料经机械加工制成，装配时通过螺钉与杆件连接，这样的设计降低了加工成本，同时又减轻了结构重量。铝合金材料选用铸造铝合金ZAlSi7Mg，该铝合金的特性如表4－1所示：

图4-1 手爪部件设计图
表4-1 铸造铝合金ZAlSi7Mg的特性

牌号
主要化学成分,%
力学性能，≥
特性和用途
Si
Mg
Al
/MPa
/%
HBS
耐蚀性、铸造性能好、易气焊；用于制作形状复杂的零件，在海水中使用时，铜含量≤0.1％
ZAlSi7Mg
6.5-7.5
0.25-0.45
余量
155
2
50
因本设计中的机械手夹持工件重量较小，手爪夹持部受力较小，因此该材料的力学性能能够满足使用要求。
为减轻重量以及降低成本，杆件都采用不锈钢薄板冲压成形。不锈钢型号选用1Cr18Ni9Ti，
钢板厚度均为1mm，其他尺寸如图4-1所示。
4.1.2水平运动部件的设计与校核
水平运动部件包括水平运动丝杠、螺母和水平导向杆等。
①.水平运动丝杠设计如图4－2所示：

图4-2 水平运动丝杠设计图
图中，轴段B、K均是轴承安装轴段，轴段D处安装齿轮，轴段C为卡环安装部位，卡环与右侧的轴肩为齿轮提供轴向定位；轴段H为丝杠段，长度为135mm。因此可知水平运动部件的最大运动范围为135mm，因为机械手每次使用之前都要回参考点，因此，实际运动范围必须小于135mm，现确定实际运动范围为130mm。
因为箱体由2mm厚不锈钢板A经板金弯折而成，为便于水平丝杠及其支撑轴承的安装，在箱体上焊接轴承座M，轴承装在上面。为保证传动精度，制造过程中先将轴承座M的毛坯与箱体焊接在一起，再加工组件。
在运动箱体和水平定位块上都应有相应的定位装置。因机械手的控制是通过单片机系统来完成的，所以定位装置要提供一定的电流给控制系统。选用光电开关作为定位装置。
光电开关型号选用EE－SPX740，通过螺钉安装在水平定位板上。EE－SPX740光电开关的技术参数及安装尺寸如下所示：
表4-2 EE－SPX740光电开关技术参数表
检测距离
标准检测物体
误差距离
应答频率
电源电压
耐冲击
3.6mm
不透明1×0.5mm以上
小于0.05mm
1KHz
DC5-24V±10%
500

图4-3 EE－SPX740光电开关安装尺寸图
光电开关要与控制系统进行连接，因此需要知道光电开关的接线图：

*为连接电晶体回路时的电压输出
图4-4 EE－SPX740光电开关接线图
为保证导向杆的导向精度，以及提高机械手的可维护性，将一对青铜导向套通过螺钉固定在铝合金材料的水平运动板上，这样，如果长期使用导致导向套磨损，可以较容易地进行更换。两水平导向杆末端都加工有螺纹，通过六角螺母将水平导向杆与水平限位板连接，便于安装、拆卸，并且便于调节轴向距离。

1水平限位板，2青铜导套I，3水平导杆I，4青铜螺母，5水平丝杠，6青铜导套II，7水平导杆II，8手爪安装板。
图4-5 水平导向部件说明图
②.校核水平导向杆的强度及刚度：
水平导向杆是悬臂结构，当手爪部件在最外端极限位置时，部件的刚度最差，校核这种情况下水平导向杆的刚度。包含被夹持工件的末端总重量约为G＝1kg＝10N，单根导向杆的重量为＝0.065kg。
两根导向杆与手爪部件的载荷分析如图4-6所示：

图4-6 水平运动部件载荷分布图
可知近似认为部件的重心在O处，即图形的几何中心处，而两导向杆对于重心成对称分布，因此可以认为重物的重量平均分担在2根导向杆上，即。而导向同时还受到自身重力的作用，因此，水平导向杆的总挠度可以认为是重物所造成的挠度与导向杆自身重力造成挠度的叠加。
计算重物所造成的挠度

图4-7 水平导向杆受力及剪力、弯矩图1 图4-8 水平导向杆受力及剪力、弯矩图2
，其中，为重物所造成的挠度，E为导向杆材料的弹性模量，查表得E＝210GPa，l为导向杆长度，l=165mm=0.165m，F=5N，I为杆件的截面极惯性矩，实心圆柱弯曲时的，可知挠度为：

计算水平导向杆自重所造成的挠度
，其中，为水平导向杆自重所造成的挠度，实际载荷为均布载荷q，
，E为导向杆材料的弹性模量，查表得E＝210GPa，l为导向杆长度，l=165mm=0.165m，F=5N，I为杆件的截面极惯性矩，实心圆柱弯曲时的，可知挠度为：

可知水平导向杆的总挠度为：

手册规定的导轨许用挠度为0.05mm，0.017856mm<0.05mm,因此导向杆刚度合格。
③.水平导向套的设计
水平导向套尺寸见图4－9：
内壁尺寸为，水平导向套与导向杆有相对运动，因此要选用间隙配合，这个间隙配合需要较高的精度，同时又考虑要提高加工经济性，配合选用间隙配合mm，内壁需要很小的表面粗糙度，选用表面粗糙度，外壁尺寸为，因水平导向套与水平运动部件的配合不需要高的精度，主要考虑要提高加工经济性和拆卸维护方便，配合选用间隙配合mm，外壁对表面粗糙度无过多要求，选用表面粗糙度，其他未标注表面。如图4-9所示：

图4-9水平导向套尺寸图
4.2竖直运动部件的设计
竖直运动部件包括竖直运动丝杠、螺母、竖直导向杆等。因为箱体及水平运动部件的重量由竖直运动螺纹牙承担，在螺纹的设计中已做过校核，因此，认为盖板及步进电机的重量由两根支撑杆承担，要校核支撑杆的强度和压杆稳定性。
支撑杆的材料为45钢，查阅资料得45钢的材料力学性能：
表4-3 45钢的材料力学性能
屈服强度
抗拉强度
断面收缩率
弹性模量

E(GPa)
353
598
16
200
①.支撑杆的强度校核：
盖板及其上面的步进电机的总重量为1.6kg，实际应力为：

<,因此，两支撑杆的强度是合格的。
②.支撑杆的稳定性校核：
可以认为支撑杆是一端固定，一端铰支的结构，压杆长度因数见下表：
表4-4 压杆的长度因数
压杆的约束条件
长度因数
两端铰支

一端固定，另一端自由

两端固定

一端固定，另一端铰支

可知，每根支撑杆分担的重量为0.8kg=8N。
材料柔度为：
支撑杆截面为圆形，所以，圆形截面支撑杆柔度为：
，，因此，欧拉公式可以使用。
许用压力为，实际压力为8N，因此可以算得实际安全系数为：，支撑杆的稳定性是合格的。

第五章 传动部件的设计
5.1传动轴的设计与校核
5.1.1传动轴的结构设计
传动轴的材料选用45钢，查表得＝110
已知传动轴传递的扭矩为2.8N·m，因此：
轴径d≥==7.3mm，即轴径最小处应大于7.3mm。而实际的最小轴径为18mm，拟定轴上各周段的直径及轴的结构如下图所示：

图5－1 传动轴设计图
图中，轴段A为平键安装轴段，通过这个平键连接传动轴与转盘，选用A型平键，